Галлий — химический элемент ; он имеет символ Ga и атомный номер 31. Открытый французским химиком Полем-Эмилем Лекоком де Буабодраном в 1875 году [10] галлий находится в 13-й группе периодической таблицы и подобен другим металлам этой группы ( алюминию , индию , и таллий ).
Элементарный галлий — относительно мягкий серебристый металл при стандартной температуре и давлении . В жидком состоянии он становится серебристо-белым. Если приложить достаточную силу, твердый галлий может расколоться раковисто . С момента своего открытия в 1875 году галлий широко использовался для изготовления сплавов с низкой температурой плавления. Он также используется в полупроводниках в качестве легирующей примеси в полупроводниковых подложках.
Точка плавления галлия используется в качестве эталонной температуры. Сплавы галлия используются в термометрах как нетоксичная и экологически чистая альтернатива ртути и могут выдерживать более высокие температуры, чем ртуть. Еще более низкая температура плавления -19 ° C (-2 ° F), что значительно ниже точки замерзания воды, заявлена для сплава галинстана ( 62–95% галлия, 5–22% индия и 0–). 16% олова по весу), но это может быть точка замерзания с эффектом переохлаждения .
Галлий не встречается в природе в виде свободного элемента, а в виде соединений галлия (III) в следовых количествах в цинковых рудах (таких как сфалерит ) и в бокситах . Элементарный галлий представляет собой жидкость при температуре выше 29,76 ° C (85,57 ° F) и плавится в руках человека при нормальной температуре человеческого тела 37,0 ° C (98,6 ° F).
Галлий преимущественно используется в электронике . Арсенид галлия , основное химическое соединение галлия в электронике, используется в микроволновых схемах, схемах высокоскоростного переключения и инфракрасных схемах. Из полупроводникового нитрида галлия и нитрида индия-галлия производят синие и фиолетовые светодиоды и диодные лазеры . Галлий также используется при производстве искусственного гадолиниево-галлиевого граната для ювелирных изделий. Национальная медицинская библиотека США и Frontiers Media считают галлий технологически критически важным элементом . [11] [12]
Галлий не имеет известной естественной роли в биологии. Галлий(III) ведет себя в биологических системах аналогично солям железа и используется в некоторых медицинских целях, включая фармацевтику и радиофармацевтические препараты .
Элементарный галлий не встречается в природе, но его легко получить плавлением . Очень чистый галлий — серебристо-синий металл, который ломается раковисто, как стекло . Жидкий галлий при затвердевании расширяется на 3,10%; поэтому его не следует хранить в стеклянных или металлических контейнерах, поскольку контейнер может лопнуть при изменении состояния галлия. Галлий находится в жидком состоянии с более высокой плотностью, как и небольшой список других материалов, в который входят вода , кремний , германий , висмут и плутоний . [13]
Галлий образует сплавы с большинством металлов. Он легко диффундирует в трещины или границы зерен некоторых металлов, таких как алюминий, алюминиево - цинковые сплавы [14] и сталь , [15] , вызывая чрезвычайную потерю прочности и пластичности, называемую охрупчиванием жидкого металла .
Температура плавления галлия составляет 302,9146 К (29,7646 ° C, 85,5763 ° F), чуть выше комнатной температуры и примерно такая же, как средние летние дневные температуры в средних широтах Земли. Эта точка плавления (т. пл.) является одной из формальных контрольных точек температуры в Международной температурной шкале 1990 года (ITS-90), установленной Международным бюро мер и весов (BIPM). [16] [17] [18] Тройная точка галлия, 302,9166 К (29,7666 °C, 85,5799 °F), используется Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST) вместо точки плавления. [19]
Температура плавления галлия позволяет ему плавиться в человеческой руке, а затем затвердевать, если его удалить. Жидкий металл имеет сильную тенденцию к переохлаждению ниже точки плавления / замерзания : наночастицы галлия могут сохраняться в жидком состоянии при температуре ниже 90 К. [20] Затравка кристаллом помогает инициировать замерзание. Галлий — один из четырех нерадиоактивных металлов (наряду с цезием , рубидием и ртутью ), которые, как известно, находятся в жидком состоянии при нормальной комнатной температуре или близкой к ней. Из четырех галлий — единственный, который не обладает ни высокой реакционной способностью (как рубидий и цезий), ни высокой токсичностью (как ртуть) и поэтому может использоваться в высокотемпературных термометрах «металл в стекле » . Он также примечателен тем, что имеет один из самых больших диапазонов жидкости для металла и имеет (в отличие от ртути) низкое давление паров при высоких температурах. Температура кипения галлия, 2676 К, почти в девять раз выше его температуры плавления в абсолютной шкале , что является наибольшим соотношением между температурой плавления и температурой кипения любого элемента. [21] В отличие от ртути, жидкий металлический галлий смачивает стекло и кожу, а также большинство других материалов (за исключением кварца, графита, оксида галлия (III) [22] и ПТФЭ ), [23] что затрудняет его механическое обращение. хотя он значительно менее токсичен и требует гораздо меньше мер предосторожности, чем ртуть. Галлий, нанесенный на стекло, представляет собой блестящее зеркало. [23] По этой причине, а также из-за проблем загрязнения металлом и расширения при замерзании, образцы металлического галлия обычно поставляются в полиэтиленовых пакетах внутри других контейнеров.
Галлий не кристаллизуется ни в одной из простых кристаллических структур . Стабильная фаза при нормальных условиях является ромбической с 8 атомами в обычной элементарной ячейке . Внутри элементарной ячейки каждый атом имеет только одного ближайшего соседа (на расстоянии 244 пм ). Остальные шесть соседей элементарной ячейки расположены на 27, 30 и 39 часов дальше и сгруппированы попарно на одинаковом расстоянии. [25] Многие стабильные и метастабильные фазы обнаруживаются в зависимости от температуры и давления. [26]
Связь между двумя ближайшими соседями ковалентная ; следовательно, димеры Ga 2 рассматриваются как фундаментальные строительные блоки кристалла. Это объясняет низкую температуру плавления по сравнению с соседними элементами — алюминием и индием. Эта структура поразительно похожа на структуру йода и может образоваться в результате взаимодействия между одиночными 4p-электронами атомов галлия, находящимися дальше от ядра, чем 4s-электроны и ядро [Ar]3d 10 . Это явление повторяется с ртутью с ее электронной конфигурацией «псевдоблагородного газа» [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 , которая при комнатной температуре является жидкостью. [27] 3d 10- электроны не очень хорошо экранируют внешние электроны от ядра, и, следовательно, первая энергия ионизации галлия больше, чем у алюминия. [13] Димеры Ga 2 не сохраняются в жидком состоянии, а жидкий галлий имеет сложную низкокоординированную структуру, в которой каждый атом галлия окружен 10 другими, а не 11–12 соседями, типичными для большинства жидких металлов. [28] [29]
Физические свойства галлия сильно анизотропны , т.е. имеют разные значения по трем основным кристаллографическим осям a , b и c (см. таблицу), что приводит к значительной разнице между коэффициентами линейного (α) и объемного теплового расширения . Свойства галлия сильно зависят от температуры, особенно вблизи точки плавления. Например, коэффициент теплового расширения при плавлении увеличивается на несколько сотен процентов. [24]
Галлий имеет 31 известный изотоп с массовым числом от 56 до 86. Только два изотопа стабильны и встречаются в природе: галлий-69 и галлий-71. Галлий-69 более распространен: он составляет около 60,1% природного галлия, а галлий-71 составляет оставшиеся 39,9%. Все остальные изотопы радиоактивны, причем галлий-67 является самым долгоживущим (период полураспада 3,261 день). Изотопы легче галлия-69 обычно распадаются посредством бета-распада (эмиссия позитронов) или захвата электронов до изотопов цинка , хотя несколько самых лёгких (массовые числа 56–59) распадаются за счёт мгновенного испускания протонов . Изотопы тяжелее галлия-71 распадаются посредством бета-минус-распада (эмиссия электронов), возможно, с испусканием замедленных нейтронов , до изотопов германия , тогда как галлий-70 может распадаться как через бета-распад, так и за счет захвата электронов. Галлий-67 уникален среди легких изотопов тем, что в качестве режима распада имеет только захват электронов, поскольку его энергии распада недостаточно для эмиссии позитронов. [30] Галлий-67 и галлий-68 (период полураспада 67,7 мин) используются в ядерной медицине.
Галлий встречается преимущественно в степени окисления +3 . Степень окисления +1 также встречается в некоторых соединениях, хотя она встречается реже, чем у более тяжелых родственников галлия, индия и таллия . Например, очень стабильный GaCl 2 содержит как галлий(I), так и галлий(III) и может быть сформулирован как Ga I Ga III Cl 4 ; напротив, монохлорид нестабилен при температуре выше 0 ° C, диспропорционируя на элементарный галлий и хлорид галлия (III). Соединения, содержащие связи Ga–Ga, являются истинными соединениями галлия (II), такими как GaS (который можно сформулировать как Ga 2 4+ (S 2- ) 2 ) и диоксановый комплекс Ga 2 Cl 4 (C 4 H 8 O 2 ) . 2 . [31]
Сильные кислоты растворяют галлий, образуя соли галлия (III), такие как Ga (NO
3)
3(нитрат галлия). Водные растворы солей галлия(III) содержат гидратированный ион галлия [Ga(H
2О)
6]3+
. [32] : 1033 Гидроксид галлия(III) , Ga(OH)
3, можно осадить из растворов галлия(III) добавлением аммиака . Дегидратация Ga(OH)
3при 100 °C образуется гидроксид оксида галлия GaO(OH). [33] : 140–141.
Растворы щелочных гидроксидов растворяют галлий, образуя галлатные соли (не путать с одноименными солями галловой кислоты ), содержащие Ga(OH)−
4анион. [34] [32] : 1033 [35] Гидроксид галлия, который является амфотерным , также растворяется в щелочи с образованием галлатных солей. [33] : 141 Хотя в более ранних работах предполагалось, что Ga(OH)3−
6как еще один возможный галлат-анион, [36] в более поздних работах он не был обнаружен. [35]
Галлий реагирует с халькогенами только при относительно высоких температурах. При комнатной температуре металлический галлий не вступает в реакцию с воздухом и водой, поскольку образует пассивный защитный оксидный слой. Однако при более высоких температурах он реагирует с кислородом воздуха с образованием оксида галлия (III) Ga .
2О
3. [34] Уменьшение Ga
2О
3с элементарным галлием в вакууме при температуре от 500 до 700 ° C дает темно-коричневый оксид галлия (I) Ga .
2О. _ [33] : 285 млрд лет назад
2O — очень сильный восстановитель , способный восстанавливать H.
2ТАК
4до Н2С. _ [33] : 207 При 800 °C он диспропорционируется обратно в галлий и галлий.
2О
3. [37]
Сульфид галлия(III) , Ga
2С
3, имеет 3 возможные модификации кристалла. [37] : 104 Его можно получить реакцией галлия с сероводородом ( H
2С ) при 950 °С. [33] : 162 Альтернативно, Ga(OH)
3можно использовать при 747 °C: [38]
Реакция смеси карбонатов щелочных металлов и Ga
2О
3с Н
2S приводит к образованию тиогаллатов , содержащих [Ga
2С
4]2-
анион. Сильные кислоты разлагают эти соли, выделяя H
2С. в процессе. [37] : 104–105 Соль ртути, HgGa.
2С
4, может использоваться в качестве люминофора . [39]
Галлий также образует сульфиды в более низких степенях окисления, такие как сульфид галлия (II) и зеленый сульфид галлия (I), последний из которых получается из первого путем нагревания до 1000 ° C в токе азота. [37] : 94
Другие бинарные халькогениды Ga
2Се
3и Га
2Те
3, имеют структуру цинковой обманки . Все они являются полупроводниками, но легко гидролизуются и имеют ограниченное применение. [37] : 104
Галлий реагирует с аммиаком при 1050°C с образованием нитрида галлия GaN. Галлий также образует бинарные соединения с фосфором , мышьяком и сурьмой : фосфид галлия (GaP), арсенид галлия (GaAs) и антимонид галлия (GaSb). Эти соединения имеют ту же структуру, что и ZnS , и обладают важными полупроводниковыми свойствами. [32] : 1034 GaP, GaAs и GaSb могут быть синтезированы прямой реакцией галлия с элементарным фосфором, мышьяком или сурьмой. [37] : 99 Они обладают более высокой электропроводностью, чем GaN. [37] : 101 GaP также можно синтезировать путем реакции Ga
2O с фосфором при низких температурах. [40]
Галлий образует тройные нитриды ; например: [37] : 99
Возможны аналогичные соединения с фосфором и мышьяком: Li
3Зазор
2и Ли
3GaAs
2. Эти соединения легко гидролизуются разбавленными кислотами и водой. [37] : 101
Оксид галлия (III) реагирует с фторирующими агентами, такими как HF или F.2с образованием фторида галлия(III ) GaF
3. Это ионное соединение, сильно нерастворимое в воде. Однако он растворяется в плавиковой кислоте , в которой образует аддукт с водой GaF .
3·3 часа
2О. _ Попытка дегидратировать этот аддукт приводит к образованию GaF.
2ОН · н H
2О. _ Аддукт реагирует с аммиаком с образованием GaF .
3·3НХ
3, который затем можно нагреть с образованием безводного GaF
3. [33] : 128–129.
Трихлорид галлия образуется в результате реакции металлического галлия с газообразным хлором . [34] В отличие от трифторида, хлорид галлия(III) существует в виде димерных молекул Ga
2кл.
6, с температурой плавления 78°С. Эквивалентные соединения образуются с бромом и йодом, Ga
2Бр
6и Га
2я
6. [33] : 133
Как и другие тригалогениды группы 13, галогениды галлия (III) представляют собой кислоты Льюиса , реагирующие как акцепторы галогенидов с галогенидами щелочных металлов с образованием солей, содержащих GaX .−
4анионы, где X – галоген. Они также реагируют с алкилгалогенидами с образованием карбокатионов и GaX.−
4. [33] : 136–137.
При нагревании до высокой температуры галогениды галлия (III) реагируют с элементарным галлием с образованием соответствующих галогенидов галлия (I). Например, GaCl
3реагирует с Ga с образованием GaCl :
При более низких температурах равновесие смещается влево, и GaCl снова диспропорционируется с образованием элементарного галлия и GaCl.
3. GaCl также можно получить путем реакции Ga с HCl при 950 ° C; продукт может конденсироваться в виде красного твердого вещества. [32] : 1036
Соединения галлия(I) можно стабилизировать путем образования аддуктов с кислотами Льюиса. Например:
Так называемые «галогениды галлия (II)», GaX.
2, на самом деле являются аддуктами галогенидов галлия (I) с соответствующими галогенидами галлия (III), имеющими структуру Ga+
[GaX
4]−
. Например: [34] [32] : 1036 [41]
Как и алюминий , галлий также образует гидрид GaH .
3, известный как галлан , который может быть получен путем реакции галланата лития ( LiGaH
4) с хлоридом галлия(III) при −30 °C: [32] : 1031
В присутствии диметилового эфира в качестве растворителя GaH
3полимеризуется до (GaH
3)
н. Если растворитель не используется, димер Ga
2ЧАС
6( дигаллан ) образуется в виде газа. Его структура аналогична диборану , имеющему два атома водорода, соединяющие два центра галлия, [32] : 1031 в отличие от α- AlH .
3в котором алюминий имеет координационное число 6. [32] : 1008.
Галлан нестабилен при температуре выше -10 ° C, разлагается на элементарный галлий и водород . [42]
Галлийорганические соединения обладают аналогичной реакционной способностью с индийорганическими соединениями, менее реакционноспособны, чем алюминийорганические соединения, но более реакционноспособны, чем таллийорганические соединения. [43] Алкилгаллии являются мономерными. Кислотность Льюиса снижается в ряду Al > Ga > In, в результате чего галлийорганические соединения не образуют мостиковые димеры, как это делают алюминийорганические соединения. Галлийорганические соединения также менее реакционноспособны, чем алюминийорганические соединения. Они образуют стабильные пероксиды. [44] Эти алкилгаллии представляют собой жидкости при комнатной температуре, имеющие низкую температуру плавления, достаточно подвижные и легковоспламеняющиеся. Трифенилгаллий в растворе мономерен, но его кристаллы образуют цепочечные структуры за счет слабых межмолекулярных взаимодействий Ga···C. [43]
Трихлорид галлия является распространенным исходным реагентом для образования галлийорганических соединений, например, в реакциях карбогаллирования . [45] Трихлорид галлия реагирует с циклопентадиенидом лития в диэтиловом эфире с образованием тригонального плоского циклопентадиенильного комплекса галлия GaCp 3 . Галлий (I) образует комплексы с ареновыми лигандами , такими как гексаметилбензол . Поскольку этот лиганд довольно объемный, структура [Ga(η 6 -C 6 Me 6 )] + представляет собой полусэндвич . Менее объемистые лиганды, такие как мезитилен , позволяют присоединить два лиганда к центральному атому галлия в изогнутой сэндвич-структуре. Бензол еще менее громоздкий и допускает образование димеров: примером является [Ga(η 6 -C 6 H 6 ) 2 ] [GaCl 4 ]·3C 6 H 6 . [43]
В 1871 году существование галлия было впервые предсказано русским химиком Дмитрием Менделеевым , который назвал его « экаалюминием » по его положению в своей таблице Менделеева . Он также предсказал несколько свойств экаалюминия, которые близко соответствуют реальным свойствам галлия, такие как его плотность , температура плавления , оксидный характер и связь в хлориде. [46]
Менделеев далее предсказал, что экаалюминий будет открыт с помощью спектроскопа и что металлический экаалюминий будет медленно растворяться как в кислотах, так и в щелочах и не будет реагировать с воздухом. Он также предсказал, что M 2 O 3 будет растворяться в кислотах с образованием солей MX 3 , что эка-соли алюминия будут образовывать основные соли, что эка-сульфат алюминия должен образовывать квасцы и что безводный MCl 3 должен иметь большую летучесть, чем ZnCl 2. : все эти предсказания оказались правдой. [47]
Галлий был открыт с помощью спектроскопии французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном в 1875 году по его характеристическому спектру (две фиолетовые линии) в образце сфалерита . [48] Позже в том же году Лекок получил свободный металл электролизом гидроксида в растворе гидроксида калия . [49]
Он назвал элемент «галлия» от латинского Gallia , что означает Галлия , в честь своей родины во Франции. Позже утверждалось, что в многоязычной игре слов , которую любили ученые XIX века, он также назвал галлий в честь себя: Le coq по-французски означает « петух », а латинское слово «петух» — галлюс . В статье 1877 года Лекок опроверг эту гипотезу. [49]
Первоначально де Буабодран определил плотность галлия равной 4,7 г/см 3 — единственное свойство, не совпавшее с предсказаниями Менделеева; Тогда Менделеев написал ему и предложил переизмерить плотность, и де Буабодран тогда получил правильное значение 5,9 г/см 3 , которое точно предсказал Менделеев. [47]
С момента его открытия в 1875 году и до эпохи полупроводников галлий в основном использовался в высокотемпературной термометрии и металлических сплавах с необычными свойствами стабильности или легкости плавления (некоторые из них были жидкими при комнатной температуре).
Разработка арсенида галлия как полупроводника с прямой запрещенной зоной в 1960-х годах открыла важнейший этап в применении галлия. [23] В конце 1960-х годов электронная промышленность начала использовать галлий в коммерческих масштабах для изготовления светоизлучающих диодов, фотоэлектрических элементов и полупроводников, а металлургическая промышленность использовала его [50] для снижения температуры плавления сплавов . [51]
Галлий не существует в качестве свободного элемента в земной коре, а некоторые минералы с высоким содержанием, такие как галлит (CuGaS 2 ), слишком редки, чтобы служить его основным источником. [52] Распространенность в земной коре составляет примерно 16,9 частей на миллион . [53] Это сопоставимо с содержанием в земной коре свинца , кобальта и ниобия . Однако в отличие от этих элементов галлий не образует собственных рудных месторождений с содержанием в руде >0,1 мас.%. Скорее, он встречается в следовых концентрациях, аналогичных коровым значениям в цинковых рудах [52] [54] и в несколько более высоких концентрациях (~ 50 частей на миллион) в алюминиевых рудах, из которых он извлекается как побочный продукт. Отсутствие независимых месторождений связано с геохимическим поведением галлия, которое не демонстрирует сильного обогащения в процессах, связанных с образованием большинства рудных месторождений. [52]
По оценкам Геологической службы США (USGS), более 1 миллиона тонн галлия содержится в известных запасах бокситов и цинковых руд. [55] [56] Некоторые виды пыли из угольных дымоходов содержат небольшое количество галлия, обычно менее 1% по весу. [57] [58] [59] [60] Однако эти количества невозможно извлечь без добычи исходных материалов (см. ниже). Таким образом, доступность галлия в основном определяется скоростью добычи бокситов, цинковых руд и угля.
Галлий производится исключительно как побочный продукт при переработке руд других металлов. Его основным исходным материалом являются бокситы , основная руда алюминия , но небольшие количества также добываются из сульфидных цинковых руд ( сфалерит является основным минералом-хозяином). [61] [62] В прошлом некоторые угли были важным источником.
При переработке боксита в глинозем по процессу Байера галлий накапливается в растворе гидроксида натрия . Из него его можно извлечь различными методами. Самым последним является использование ионообменной смолы . [61] Достижимая эффективность экстракции критически зависит от исходной концентрации в исходном боксите. При типичной концентрации сырья 50 ppm экстрагируется около 15% содержащегося галлия. [61] Остальное поступает в потоки красного шлама и гидроксида алюминия . Галлий удаляется из ионообменной смолы в растворе. Затем электролиз дает металлический галлий. Для использования в полупроводниках его дополнительно очищают зонной плавкой или экстракцией монокристаллов из расплава ( процесс Чохральского ). Чистота 99,9999% обычно достигается и коммерчески доступна. [63]
Его статус побочного продукта означает, что производство галлия ограничено количеством бокситов, сульфидных цинковых руд (и угля), добываемых в год. Поэтому его наличие необходимо обсуждать с точки зрения потенциала поставок. Потенциал предложения побочного продукта определяется как количество, которое экономически можно извлечь из исходных материалов в год при текущих рыночных условиях (т. е. технологии и цене). [64] Запасы и ресурсы не имеют отношения к побочной продукции, поскольку их нельзя извлечь независимо от основной продукции. [65] По последним оценкам, потенциал поставок галлия составляет как минимум 2100 т/год из бокситов, 85 т/год из сульфидных цинковых руд и потенциально 590 т/год из угля. [61] Эти цифры значительно превышают текущий объем производства (375 т в 2016 г.). [66] Таким образом, значительное будущее увеличение производства побочной продукции галлия будет возможно без значительного увеличения производственных затрат или цен. Средняя цена на низкосортный галлий составляла $120 за килограмм в 2016 году и $135–140 за килограмм в 2017 году [67].
В 2017 году мировое производство низкосортного галлия составило ок. 315 тонн — рост на 15% по сравнению с 2016 годом. Ведущими производителями были Китай, Япония, Южная Корея, Россия и Украина, а Германия прекратила первичное производство галлия в 2016 году. Выход галлия высокой чистоты составил ок. 180 тонн, в основном из Китая, Японии, Словакии, Великобритании и США. Годовая производственная мощность мира в 2017 году оценивалась в 730 тонн низкосортного галлия и 320 тонн рафинированного галлия. [67]
Китай произвел ок. 250 тонн низкосортного галлия в 2016 году и c. 300 тонн в 2017 году. На его долю также пришлось более половины мирового производства светодиодов. [67] По состоянию на июль 2023 года на долю Китая приходилось от 80% [68] до 95% его производства. [69]
Полупроводниковые приложения доминируют в коммерческом спросе на галлий, составляя 98% от общего объема. Следующее важное применение — гадолиниево-галлиевые гранаты . [70]
Галлий чрезвычайно высокой чистоты (>99,9999%) коммерчески доступен для использования в полупроводниковой промышленности. Арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), используемые в электронных компонентах, составляли около 98% потребления галлия в США в 2007 году. Около 66% полупроводникового галлия используется в США в интегральных схемах (в основном арсенид галлия). например, производство сверхвысокоскоростных логических микросхем и MESFET для малошумящих микроволновых предусилителей в сотовых телефонах. Около 20% этого галлия используется в оптоэлектронике . [55]
Во всем мире арсенид галлия составляет 95% годового мирового потребления галлия. [63] В 2016 году он составил $7,5 млрд, из которых 53% пришлось на сотовые телефоны, 27% на беспроводную связь, а остальная часть — на автомобильные, потребительские, оптоволоконные и военные приложения. Недавнее увеличение потребления GaAs в основном связано с появлением смартфонов 3G и 4G , в которых используется до 10 раз больше GaAs, чем в старых моделях. [67]
Арсенид галлия и нитрид галлия также можно найти в различных оптоэлектронных устройствах, рыночная доля которых составила 15,3 миллиарда долларов в 2015 году и 18,5 миллиардов долларов в 2016 году. [67] Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) используется в мощных инфракрасных лазерных диодах. Полупроводники нитрид галлия и нитрид индия-галлия используются в синих и фиолетовых оптоэлектронных устройствах, в основном в лазерных диодах и светодиодах . Например, диодные лазеры на основе нитрида галлия с длиной волны 405 нм используются в качестве источника фиолетового света для приводов компактных дисков Blu-ray с высокой плотностью записи. [71]
Другими основными применениями нитрида галлия являются передача по кабельному телевидению, коммерческая беспроводная инфраструктура, силовая электроника и спутники. Только рынок GaN-радиочастотных устройств оценивался в 370 миллионов долларов в 2016 году и 420 миллионов долларов в 2016 году. [67]
Многопереходные фотоэлектрические элементы , разработанные для спутниковой энергетики, изготавливаются методом молекулярно-лучевой эпитаксии или металлоорганической парофазной эпитаксии тонких пленок арсенида галлия, фосфида индия-галлия или арсенида индия-галлия . Марсоходы и несколько спутников используют арсенид галлия с тройным переходом на германиевых элементах. [72] Галлий также является компонентом фотоэлектрических соединений (таких как сульфид меди, индия, галлия и селена Cu(In,Ga)(Se,S) 2 ), используемых в солнечных панелях в качестве экономичной альтернативы кристаллическому кремнию . [73]
Галлий легко сплавляется с большинством металлов и используется в качестве ингредиента в легкоплавких сплавах . Почти эвтектический сплав галлия, индия и олова представляет собой жидкость комнатной температуры, используемую в медицинских термометрах. Этот сплав под торговым названием Галинстан (где «-стан» относится к олову, олово на латыни) имеет низкую температуру плавления -19 ° C (-2,2 ° F). [74] Было высказано предположение, что это семейство сплавов также можно использовать для охлаждения компьютерных чипов вместо воды и часто используется в качестве замены термопасты в высокопроизводительных вычислениях. [75] [76] Сплавы галлия были оценены как заменители ртутных зубных амальгам , но эти материалы еще не получили широкого признания. Было обнаружено, что жидкие сплавы, содержащие в основном галлий и индий, выделяют газообразный CO 2 в твердый углерод и исследуются в качестве потенциальных методов улавливания и, возможно, удаления углерода . [77] [78]
Поскольку галлий смачивает стекло или фарфор , галлий можно использовать для создания блестящих зеркал . Когда смачивающее действие сплавов галлия нежелательно (как в стеклянных термометрах Galinstan), стекло необходимо защитить прозрачным слоем оксида галлия (III) . [79]
Благодаря высокому поверхностному натяжению и деформируемости [80] жидкие металлы на основе галлия можно использовать для создания приводов путем контроля поверхностного натяжения. [81] [82] [83] Исследователи продемонстрировали возможности использования жидкометаллических приводов в качестве искусственных мышц в роботизированных приводах. [84] [85]
Плутоний , используемый в ямах для ядерного оружия, стабилизируется в δ-фазе и становится пригодным для механической обработки путем легирования галлием . [86] [87]
Хотя галлий не имеет естественной биологической функции, ионы галлия взаимодействуют с процессами в организме аналогично железу(III) . Поскольку эти процессы включают воспаление , маркер многих болезненных состояний, некоторые соли галлия используются (или находятся в стадии разработки) в качестве фармацевтических препаратов и радиофармацевтических препаратов в медицине. Интерес к противораковым свойствам галлия возник, когда было обнаружено, что цитрат 67 Ga(III), введенный животным с опухолями, локализуется в участках опухоли. Клинические испытания показали, что нитрат галлия обладает противоопухолевой активностью в отношении неходжкинской лимфомы и уротелиального рака. Появилось новое поколение галлий-лигандных комплексов, таких как трис(8-хинолинолато)галлий(III) (КП46) и мальтолат галлия. [88] Нитрат галлия (торговая марка Ganite) использовался в качестве внутривенного фармацевтического препарата для лечения гиперкальциемии , связанной с метастазами опухоли в кости. Считается, что галлий мешает функции остеокластов , и терапия может быть эффективной, когда другие методы лечения оказались неэффективными. [89] Мальтолат галлия , пероральная, хорошо усваиваемая форма иона галлия(III), является антипролиферативным средством для патологически пролиферирующих клеток, особенно раковых клеток и некоторых бактерий, которые принимают его вместо трехвалентного железа (Fe 3+ ). Исследователи проводят клинические и доклинические испытания этого соединения как потенциального средства лечения ряда видов рака, инфекционных и воспалительных заболеваний. [90]
Когда ионы галлия ошибочно поглощаются бактериями, такими как Pseudomonas , вместо железа(III), ионы мешают дыханию, и бактерии погибают. Это происходит потому, что железо обладает окислительно-восстановительной активностью, позволяя переносить электроны во время дыхания, а галлий неактивен в окислительно-восстановительном процессе. [91] [92]
Комплексное амино - фенольное соединение Ga(III) MR045 избирательно токсично для паразитов, устойчивых к хлорохину , обычному препарату против малярии . И комплекс Ga(III), и хлорохин действуют путем ингибирования кристаллизации гемозоина , продукта утилизации, образующегося в результате переваривания крови паразитами. [93] [94]
Соли галлия-67, такие как цитрат галлия и нитрат галлия , используются в качестве радиофармацевтических агентов при визуализации ядерной медицины , известной как сканирование галлия . Используется радиоактивный изотоп 67 Ga, соединение или соль галлия не имеет значения . Организм обращается с Ga 3+ во многих отношениях так же, как если бы это был Fe 3+ , и ион связывается (и концентрируется) в областях воспаления, таких как инфекция, и в областях быстрого деления клеток. Это позволяет визуализировать такие места с помощью методов ядерного сканирования. [95]
Галлий-68 , излучатель позитронов с периодом полураспада 68 минут, теперь используется в качестве диагностического радионуклида в ПЭТ-КТ в сочетании с такими фармацевтическими препаратами, как DOTATOC , аналог соматостатина , используемый для исследования нейроэндокринных опухолей , и DOTA-TATE . более новый, используемый при нейроэндокринных метастазах и нейроэндокринном раке легких, например, при некоторых типах микроцитомы . Получение галлия-68 в качестве фармацевтического препарата является химическим , а радионуклид извлекается путем элюирования из германия-68, синтетического радиоизотопа германия , в генераторах галлия-68 . [96]
Обнаружение нейтрино : Галлий используется для обнаружения нейтрино . Возможно, самое большое количество чистого галлия, когда-либо собранное в одном месте, — это галлий-германиевый нейтринный телескоп, используемый в эксперименте SAGE в Баксанской нейтринной обсерватории в России. Этот детектор содержит 55–57 тонн (~ 9 кубических метров) жидкого галлия. [97] Другим экспериментом был детектор нейтрино GALLEX , работавший в начале 1990-х годов в итальянском горном туннеле. Детектор содержал 12,2 тонны обводненного галлия-71. Солнечные нейтрино заставили несколько атомов 71 Ga стать радиоактивными 71 Ge , что и было обнаружено. Этот эксперимент показал, что поток солнечных нейтрино на 40% меньше, чем предсказывала теория. Этот дефицит ( проблема солнечных нейтрино ) не был объяснен до тех пор, пока не были созданы более совершенные детекторы солнечных нейтрино и теории (см. SNO ). [98]
Источник ионов : Галлий также используется в качестве источника ионов жидкого металла для сфокусированного ионного луча . Например, сфокусированный луч ионов галлия был использован для создания самой маленькой в мире книги « Маленький Тед из города Репы ». [99]
Смазочные материалы : Галлий служит добавкой в воск для скольжения лыж и другие материалы с низким коэффициентом трения. [100]
Гибкая электроника . Ученые-материаловеды предполагают, что свойства галлия могут сделать его пригодным для разработки гибких и носимых устройств. [101] [102]
Выработка водорода : Галлий разрушает защитный оксидный слой алюминия, позволяя воде вступать в реакцию с алюминием в AlGa с образованием газообразного водорода. [103]
Юмор : Среди химиков широко известен розыгрыш : они изготавливают галлиевые ложки и используют их для подачи чая ничего не подозревающим гостям, поскольку галлий внешне похож на свой более легкий гомолог — алюминий. Затем ложки тают в горячем чае. [104]
Достижения в тестировании микроэлементов позволили ученым обнаружить следы растворенного галлия в Атлантическом и Тихом океанах [105] . В последние годы концентрации растворенного галлия были обнаружены в море Бофорта . [105] [106] Эти отчеты отражают возможные профили вод Тихого и Атлантического океана. [106] Для Тихого океана типичные концентрации растворенного галлия составляют 4–6 пмоль/кг на глубинах <~ 150 м. Для сравнения: для вод Атлантики 25–28 пмоль/кг на глубинах >~350 м. [106]
Галлий попал в океаны в основном через эоловые воды, но наличие галлия в наших океанах может быть использовано для решения проблемы распределения алюминия в океанах. [107] Причина этого в том, что галлий геохимически подобен алюминию, только менее реакционноспособен. Галлий также имеет немного большее время пребывания в поверхностной воде, чем алюминий. [107] Галлий имеет профиль растворения, аналогичный алюминию, благодаря чему галлий можно использовать в качестве индикатора алюминия. [107] Галлий также можно использовать в качестве индикатора эоловых примесей железа. [108] Галлий используется в качестве индикатора железа в северо-западной части Тихого океана, южной и центральной части Атлантического океана. [108] Например, в северо-западной части Тихого океана поверхностные воды с низким содержанием галлия в приполярном регионе предполагают низкий уровень поступления пыли, что впоследствии может объяснить следующее поведение в окружающей среде с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла . [108]
Металлический галлий не токсичен. Однако некоторые соединения галлия токсичны.
Галогенидные комплексы галлия могут быть токсичными. [111] Ион Ga 3+ растворимых солей галлия имеет тенденцию образовывать нерастворимый гидроксид при введении в больших дозах; Осаждение этого гидроксида приводило к нефротоксичности у животных. В более низких дозах растворимый галлий хорошо переносится и не накапливается в виде яда, а выводится преимущественно с мочой. Выведение галлия происходит в две фазы: первая фаза имеет биологический период полураспада 1 час, а вторая имеет биологический период полураспада 25 часов. [95]
Вдыхаемые частицы Ga 2 O 3 вероятно токсичны. [112]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )